اسأل إيثان # 50: لماذا لم يتحول الكون إلى ثقب أسود؟
بالنظر إلى أن كل هذه المادة وكل الطاقة تم جمعها بإحكام في مكان واحد ، وكانت كثيفة جدًا في وقت الانفجار العظيم - لماذا لم يتراجع الكون؟
"Es ist immer angenehm، über strenge Lösungen einfacher Form zu verfügen." (من الجيد دائمًا أن يكون تحت تصرفك الحل الدقيق بطريقة بسيطة)
- كارل شوارزشيلد
حتى لو كنت تعرف جميع قوانين الفيزياء في جميع أماكن الكون في أي لحظة ، فإن هذا لن يكون كافياً للتنبؤ بحالة الكون الحالية. منذ ، على الرغم من أن قوانين الفيزياء تحدد قواعد تطور النظام ، فإنه لا يزال بحاجة إلى مجموعة من الشروط الأولية للبدء. هذا الأسبوع ، قضيتنا مخصصة لسؤال Adreas Lauser ، الذي يسأل:على الرغم من أن لدي القليل من الشك في أن نظرية الانفجار الكبير صحيحة ، أو ، كما تقول ، تقريبًا جيدًا لما حدث ، هناك شيء واحد أفكر فيه عندما أفكر في هذا الجزء من علم الكونيات. هل هناك تفسير لحقيقة أن الكون لم يتحول على الفور إلى ثقب أسود؟ أعتقد أن كثافتها الأولية كانت أعلى بكثير من حد شوارزشيلد.
لقد ناقشنا هذا السؤال بالفعل ، لكنك بحاجة إلى تفاصيل إضافية وإجابة أفضل مما أعطيته آنذاك. دعونا نعود إلى لحظة ولادة أنجح نظرية للجاذبية ، GR ، قبل 100 عام.
قبل أينشتاين ، كان قانون الجاذبية النيوتوني هو نظرية الجاذبية المعترف بها. تم وصف جميع ظواهر الجاذبية للكون ، من تسارع الكتل على الأرض ، إلى مدارات الأقمار حول الكواكب ومدارات الكواكب نفسها حول الشمس ، من خلال نظريته. مارست الأجسام قوى جذب متساوية وموجهة بشكل معاكس عند التفاعل مع بعضها البعض ، وتسارعت عكسيا مع الكتلة ، وأطاعت القوى القانون العالمي للمربعات المعكوسة. بحلول عام 1900 ، تم اختبار القانون بشكل جيد ولم يتم العثور على أي استثناءات. حسنًا ، بشكل أدق ، من بين الآلاف والآلاف من التجارب الناجحة ، لم يتم العثور عليها عمليًا.
ولكن بالنسبة للعقول البصيرة والمهتمين بالتفاصيل ، كانت هناك مشكلتان.1. عند سرعات عالية جدًا ، مع الاقتراب من سرعة الضوء ، لم تعد أفكار نيوتن عن المكان والزمان المطلقين قادرة على التكيف. عاشت الجسيمات المشعة لفترة أطول ، وتم ضغط المسافات ، ولم تكن الكتلة مصدر الجذب الرئيسي - بدا هذا الشرف وكأنه يذهب إلى الطاقة ، وكانت الكتلة واحدة فقط من أشكالها.2. في مجالات الجاذبية القوية جدًا - على الأقل إذا كان الزئبق كوكبًا خاصًا في نظامنا الشمسي ، يدور حول الشمس - كانت تنبؤات نيوتن حول سلوك الجاذبية للأجسام مختلفة قليلاً ، ولكن بشكل ملحوظ ، عن الملاحظات. يبدو أنه إذا كنت قريبًا جدًا من مصادر ضخمة جدًا ، فقد ظهرت قوة جذب إضافية ، لم تأخذها الجاذبية النيوتونية في الاعتبار.بعد كل هذا ، ظهر تطوران يمهدان الطريق لنظرية جديدة جاءت لتحل محل نظرية نيوتن - وهو مفهوم رائع ولكنه قديم للغاية يصف مبادئ عمل الكون.
كان التطور الأول للعلماء هو أن المكان والزمان ، اللذين سبق اعتبارهما كيانين منفصلين (الفضاء الثلاثي الأبعاد والوقت الخطي) تم دمجهما في جهاز رياضي خلقت الزمكان رباعي الأبعاد. تم ذلك في عام 1907 من قبل الألماني مينكوفسكي:لقد ازدادت الآراء حول المكان والزمان التي أريد أن أعرضها لك على أساس الفيزياء التجريبية ، وهذه هي قوتها. [...] لذلك ، فإن الفضاء في حد ذاته ، والوقت في حد ذاته ، مقدر له أن يختفي في الظل ، ولن يبقى سوى اتحاد الاثنين في دور الواقع المستقل.
لم ينجح هذا إلا في الفضاء الإقليدي المسطح ، لكن الفكرة كانت قوية للغاية من وجهة نظر الرياضيات ، وأصبحت جميع قوانين النسبية العامة نتيجة لا مفر منها. عندما تم تطبيق هذه الفكرة على مشكلة مدار عطارد ، فإن التنبؤ النيوتوني ، مع الأخذ في الاعتبار الجهاز الجديد ، اقترب قليلاً من المعلمات المرصودة ، لكنه لم يصل إليها بعد.
قام آينشتاين بنفسه بالتطور الثاني ، وكانت فكرة أن الزمكان ليس مسطحًا ، ولكنه منحني. وكان العامل نفسه الذي يحدد انحناء الزمكان هو وجود الطاقة في جميع مظاهرها ، بما في ذلك الكتلة. نُشر عام 1915 ، وكان من الصعب للغاية استخدام جهاز آينشتاين للحسابات ، لكنه أعطى جميع العلماء فرصًا رائعة لنمذجة النظم الفيزيائية بمستوى جديد من الدقة.يقابل زمان مينكوسكي الزمكان كونًا فارغًا لا يحتوي على طاقة أو مادة من أي نوع.
كان أينشتاين قادرًا على إيجاد حل يكون فيه للكون كتلة نقطة واحدة ، بشرط أن تكون خارج هذه النقطة. نزل إلى التنبؤات النيوتونية على مسافات طويلة ، لكنه أعطى بيانات أكثر دقة على مسافات صغيرة. لم تتزامن النتائج فقط مع مراقبة مدار عطارد ، الذي لم تتنبأ به الجاذبية النيوتونية ، ولكنها جعلت أيضًا من الممكن وضع افتراضات جديدة حول انحناء ضوء الشمس ، والتي يمكن رؤيتها في كسوف كلي للشمس - تم تأكيد هذه التنبؤات لاحقًا ، خلال كسوف عام 1919.
ولكن هناك حل آخر ، غير متوقع ومثير للاهتمام ، ظهر بعد أسابيع قليلة فقط من نشر ETO بواسطة Einstein. قام كارل شوارزشيلد بوضع تفاصيل ما يحدث في التكوين مع كتلة نقطة واحدة ذات حجم تعسفي ، وما وجده كان مذهلاً:- على مسافات كبيرة ، يعمل حل آينشتاين ، ويقلل إلى النتائج النيوتونية
- ولكن قريبًا جدًا من الكتلة ، على مسافة R = 2M في الوحدات الطبيعية ، يمكنك الوصول إلى نقطة لا يمكن فيها الهروب - أفق الحدث.
- علاوة على ذلك ، فإن كل شيء داخل أفق الحدث ينهار حتمًا إلى تفرد مركزي ، وهو نتيجة حتمية لنظرية أينشتاين.
- , , , , , .
كان هذا الحل ، مقياس شوارزشيلد ، أول حل كامل وغير بديهي من الموارد الوراثية.
دعونا نتذكر كل ما سبق وننتقل إلى جوهر السؤال: ماذا عن الكون المبكر الكثيف الحار ، حيث أن كل المادة والطاقة ، المنتشرة الآن على مساحة تزيد عن 92 مليار سنة ضوئية ، تم احتواؤها في حجم لا يتجاوز نظامنا الشمسي؟
ولكن يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار أنه ، مثل Minkowski الزمكان ، فإن حل Schwarzschild ثابت ، أي أن مقياس الفضاء فيه لا يتغير بمرور الوقت. ولكن هناك العديد من الحلول الأخرى - فضاء دي سيتر ، مقياس فريدمان روبرتسون ووكر الذي يصف الزمكان ، الذي يتوسع أو يتقلص.
إذا بدأنا بالمادة والطاقة التي تم احتواؤها في الكون في المراحل الأولى من الانفجار الكبير ، فلن يكون الكون متمددًا ، بل ساكنًا ، ولن تكون هناك جسيمات ذات سرعة غير صفرية ، ولن تتصادم الجسيمات مع بعضها البعض - كل هذه الطاقة ستشكل ثقبًا أسودًا لشوارزشيلد بسرعة كبيرة تقريبًا. ولكن في GRT هناك عقبة مهمة أخرى: إلى جانب حقيقة أن وجود المادة والطاقة يحدد انحناء الفضاء ، فإن كل ما هو موجود في هذا الفضاء يحدد أيضًا تطور الزمكان نفسه!
ما هو الأكثر إثارة للدهشة ، نحن نعلم أنه منذ الانفجار العظيم ، لا يوجد في الكون لدينا سوى ثلاثة خيارات تطويرية محتملة ، اعتمادًا على المادة والطاقة الموجودة فيه ومعدل التوسع الأولي.- , . , , , . , , , , , ( , Big Crunch).
- , . , , , , . .
- , , ( , ) ( ), , , .
اتضح أننا نعيش تقريبًا في منطقة Goldilocks ، ولكن مع إضافة كمية صغيرة من الطاقة المظلمة ، مما يزيد قليلاً من معدل التوسع ، وهذا يعني أنه في النهاية ، كل المواد غير المرتبطة بالجاذبية سوف تتطاير وتختفي في هاوية الفضاء العميق .
والمثير للدهشة هنا هو عدد التعديلات الدقيقة التي يجب أن تحدث حتى يتزامن معدل تمدد الكون وكثافة المادة والطاقة بشكل جيد للغاية بحيث لا ننهار إلى الخلف أو نتوسع حتى لا نتمكن من تشكيل الطوب الأساسي لمواد البناء. احتمال هذا هو واحد تقريبًا في 10 ^ 24 ، وهو يساوي تقريبًا الاحتمال الذي سيكتشفه شخصان ، بعد حساب عدد الإلكترونات الموجودة فيهما ، أنهما مطابقان لدقة الإلكترون. إذا عدنا بالزمن في وقت لم يكن فيه عمر الكون سوى نانو ثانية من لحظة الانفجار العظيم ، يمكننا حساب عددي مدى كثافة وسرعة التمدد.
في رأيي ، قصة لا تصدق!ومع ذلك ، هذه هي الطريقة التي يمكننا بها وصف كوننا ، الذي لم ينهار على الفور ولم يتوسع بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن أن تتشكل الهياكل المعقدة فيه. وبدلاً من ذلك ، أدى إلى ظهور مجموعة متنوعة رائعة من الظواهر النووية والذرية والجزيئية والخلوية والجيولوجية والكواكب والنجمية والمجرية والعنقودية التي يمكننا ملاحظتها. من حسن الحظ أننا موجودون ، وأننا تعلمنا كل ما تعلمناه ، وأننا منخرطون في عملية المزيد من الإدراك: في العلم.
Source: https://habr.com/ru/post/ar394791/
All Articles